机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术研究

摘要

机械工程与电子计算机、自动控制的协同集成，组成了种类多样的机电一体化（Mechatronics）产品或系统。这类产品在开发过程中常常会涉及到多个学科领域专家的协作，虚拟样机技术正是解决多专家协同设计的有效途径，同时，基于虚拟样机的设并思路也是解决机电一体化产品前期概念设计需求的有效方法。 本文在分析机电一体化产品设计对虚拟样机技术需求的基础上，论述了虚拟样机设计原理、关键使能技术，进行了机电产品虚拟样机协同仿真支撑环境体系结构及其实施技术方法的探讨，着重研究了广义执行机构子系统动力学建模与仿真的原理及应用，机械控制协同工作机制，仿真模型库组织结构及构建方法，以及机电一体化产品分布式协同仿真的基本原理和实现框架。论文的主要研究成果与特色如下： （1）在分析机电一体化产品的组成与特点的基础上，阐述虚拟样机在机电一体化产品设计中的应用，包括设计方法、设计流程、机电虚拟样机的构成及特点等；并提出了一种基于虚拟样机技术的机电一体化产品设计闭环模型。 （2）在分析机电一体化产品功能模型基础上，提出了一种将机电一体化产品按功能组成划分为广义执行机构与控制子系统的两子系统论，这样划分突出了机电一体化产品广义执行机构与控制的协同、集成特性；并对产品虚拟开发的过程模型进行描述，在此基础上，提出了一种面向机电一体化产品设计需要的虚拟样机支撑环境体系结构。 （3）作为动力学特性建模与仿真分析的基础，分析了广义执行机构中驱动器与执行机构的集成匹配问题，并对执行机构多体系统动力学进行了理论研究。借助于通用仿真环境ADAMS、MATLAB，对广义执行机构的运动学/动力学特性展开试验研究。 （4）分析机电一体化产品中机构与控制的耦合特性，对多学科协同建模与仿真机理展开研究；引入面向对象的模型封装思想，提出一种机电一体化系统面向功能的层次化方框图仿真建模方法；作为另一种思路，将基于仿真软件接口的方法引入到机构动力学与控制领域的协同仿真建模中来，并通过实验表明这一方法有效可行。另一方面，为克服基于仿真软件接口的方法的局限性，探讨基于HLA的多学科协同建模与仿真技术在机电一体化产品虚拟样机开发中的应用问题。 （5）为了有效积累与重用仿真资源，运用面向对象技术的继承机制，建立可重用的仿真模型库，将仿真模型库中各类模型按层次结构划分为系统仿真模型、主模型和元模型；另一方面，利用模型对象接口来表达模型间的关联关系，对机电一体化系统的这类接口进行分类，给出接口与真实系统中物理信号的映射关系；并探索以MATLAB为主要工具的仿真模型库开发方法。 （6）探讨分布式交互仿真的原理与关键技术，主要考虑了分布式交互仿真特性及其实现模式，着重对基于Web Services的分布式仿真模式展开研究；对在这种模式下的MATLAB仿真服务远程调用与实现进行了初步的探索。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

2虚拟样机设计支撑环境的体系结构研究

3广义执行机构动力学特性建模与仿真技术

4多学科协同建模与仿真机理及实施技术研究

5仿真模型库构建原理与方法研究

6基于Web Services的分布交互仿真方法研究

7结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢

论文声明